CN109883936B - 一种用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于植入材料体外降解实验的动‑静态等轴形变设备，属于生物力学技术领域。包括：上端开口的筒体、安装平台、多个环体、多个曲面轴、螺钉、支撑架和密封盖，安装平台螺纹连接在筒体上，安装平台的上表面设有多个通孔，通孔内竖直放置有曲面轴，通孔的外周上设置有环体，安装平台的上表面周边具有向上延伸的槽体，密封盖盖合在槽体上；步进电机、齿轮，步进电机通过齿轮带动筒体转动。本发明结构简单，易于组装；可进行植入材料静态恒定形变下的体外降解实验；可模拟人体生物力学环境中植入材料动态等轴形变下的体外降解实验；解决了植入材料体外降解实验过程中无法提供恒定等轴形变的问题，节省了零配件的数量；提高了实验效率。
Description
技术领域
本发明涉及生物力学技术领域，具体涉及一种用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备。
背景技术
目前，随着组织工程技术的发展，一些天然生物材料和人工合成材料因为其优异的力学性能以及良好的生物相容性，已经在组织修复领域崭露头角。例如：脱细胞基质，海藻酸盐，壳聚糖等。
但是植入材料在进行体内实验之前需要进行相应的体外实验，其中体外降解实验是必不可少的一环。在体外降解实验中，充分模拟人体生物力学环境才能够使得实验结果具有科学性，所以，能够模拟生物力学环境的体外降解实验设备至关重要。
典型的生物力学环境大致可以分为动态和静态两大类。例如：呼吸过程中，由于呼吸运动的影响，腹壁会受到来自腹腔往复的压力，因此，腹壁修复材料体外降解实验中就要充分的模拟动态压力对材料性能的影响；而硬脑膜中含有硬脑膜窦，这是大脑静脉血回流以及脑脊液回流的途径，在体液回流的过程中，硬脑膜会受到来自液体流动产生的恒定压力，因此，为了使硬脑膜修复材料更好地产生修复效果，在体外降解实验时就要充分地模拟体液对材料产生的恒定形变。此外，材料植入体内后在生物力学环境下往往出现等轴形变，然而目前还没有一种可以维持材料长期保持等轴形变的体外降解实验设备。因此，如何设计一种设备使材料在体外降解实验过程中，既能够实现动态等轴形变，也能实现静态等轴形变，是当前需要努力去解决的一个重要问题。
发明内容
本发明提供一种用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备，可以解决现有技术中的上述问题。该形变设备可以在植入材料体外降解的平行实验和对照实验中给予静态的恒定形变；亦可模拟人体生物力学环境下植入材料体外降解实验中动态的等轴形变。此外该设备使植入材料在降解实验中从单一形变提升为等轴形变，更好地模拟了人体生物力学环境对材料的影响，大大提升了实验的精准度；亦可以将静态加载装置和动态加载装置进行组合，从而进行动态加载实验，节省了零配件的数量；大大提高了实验效率。
本发明提供了一种用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备，包括静态加载装置与动态加载装置；
所述静态加载装置包括：上端开口的筒体、安装平台、多个环体、多个曲面轴、密封盖与支撑架，所述安装平台螺纹连接在所述筒体上，所述安装平台的上表面设有多个通孔，所述通孔内竖直设有所述曲面轴，所述曲面轴的底端螺纹连接在所述筒体内的底面上，所述安装平台的上表面周边具有向上延伸的槽体，所述槽体上设有密封盖，所述槽体的外周套设有起固定夹持作用的支撑架；
所述动态加载装置包括：步进电机和齿轮，所述筒体的下表面设有筒体转轴，所述步进电机通过齿轮和所述筒体转轴连接。
优选地，多个所述通孔均为圆形通孔，每个所述通孔的外周均设有第一环形槽和第二环形槽，第一环形槽和第二环形槽均设置在所述安装平台的上表面，第二环形槽位于第一环形槽的外周，所述第一环形槽上设有环体，所述第二环形槽上设有扣件。
优选地，所述齿轮包括大齿轮和小齿轮，所述步进电机和大齿轮连接，所述大齿轮和小齿轮啮合，其齿数之比为2:1，所述小齿轮和所述筒体转轴连接。
优选地，所述密封盖螺纹连接在所述槽体上。
优选地，所述筒体的外表面设有若干个U型槽，所述安装平台的外表面设有若干个倒U型槽。
优选地，所述U型槽和倒U型槽的数量均为一个。
优选地，所述筒体、安装平台、多个曲面轴、多个扣件和槽体的材质均为聚碳酸酯。
优选地，所述支撑架包括相互固定连接的圆形套环和支撑部，所述圆形套环套设在所述槽体外，所述圆形套环上设有多个螺纹孔，螺钉穿过所述螺纹孔对槽体实现紧固。
优选地，所述圆形套环的外表面设有筋板。
优选地，所述齿轮可以为锥齿轮组，所述步进电机和控制器连接，所述步进电机和控制器均与电源连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）该形变设备为国内首创，且其组成元件简单，易于组装。
（2）该形变设备包括多个曲面轴，一次实验可以进行多个样品处理。
（3）该形变设备的曲面轴可以根据植入材料样品的面积选择，从而选择合适的降解实验方法。一个装置中可以更换不同的曲面轴，进行对比实验，也能在一个装置中采用同一个曲面轴进行平行实验；也可以同时用多个装置进行多样品对照实验。
（4）该形变设备的静态加载装置的材料选择新颖，避免常规金属材料在降解过程中受到酶液的腐蚀后释放某些物质对实验结果产生影响。
（5）该形变设备的动态加载装置可以根据实验的需要进行不同频率（如模拟人的呼吸频率18次/min）的循环加载退载实验。
（6）该形变设备的动态加载装置的动力是由步进电机来提供的，便于控制。
（7）该形变设备的动态加载装置可以根据筒体的螺距进而设计电机的旋转的圈数，来实现对曲面轴的移动距离的精准控制。
（8）该形变设备的动态加载装置也可以模拟静态的长期加载实验，如果对形变要求不高的实验，可以使电机旋转一定圈数给予曲面轴一定的移动距离，关闭电机，使材料保持恒定的形状进行实验。
（9）该形变设备的静态加载装置与动态加载装置通过齿轮连接后，即可进行动态等轴形变加载实验，因此在实验的过程的中可以节约一定量的装置零配件。
（10）该形变设备的密封盖具有密封作用，可以防止外界环境对材料的污染，也能防止降解液泄露。
（11）该形变设备解决了在组织修复材料降解实验过程中无法提供恒定等轴形变的问题，使材料在降解的过程中所受的单一形变或者双向形变转换为等轴形变，更好的拟合了人体内环境对材料的影响，提升了实验的精度。
（12）此外，该形变设备可以根据需要设计成不同轴数（1-13轴不等），大大提高了实验效率。
附图说明
图1为本发明的静态加载装置结构示意图;
图2为本发明的静态加载装置和动态加载装置连接结构示意图；
图3为本发明的支撑架的结构示意图。
附图标记说明：
筒体，2.安装平台，2-1.通孔，2-2.第一环形槽，2-3.第二环形槽，3.环体，4.曲面轴，5.扣件，6.U型槽，7.倒U型槽，8.槽体，9.步进电机，10.齿轮，11.密封盖，12.支撑架，12-1.圆形套环，12-2.支撑部，13.螺钉。
实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备，包括静态加载装置与动态加载装置；
如图1所示，所述静态装置包括：上端开口的筒体1、安装平台2、多个环体3、多个曲面轴4、密封盖11和支撑架12。所述安装平台2螺纹连接在所述筒体1上（筒体1内设有内螺纹，安装平台设有外螺纹）。安装平台2是实心体。所述安装平台2的上表面设有上下贯通的多个通孔2-1，所述通孔2-1内竖直设有所述曲面轴4，所述曲面轴4的底端螺纹连接在所述筒体1内的底面上，筒体1内的底面上设置安装曲面轴4的螺纹孔，曲面轴4和筒体1螺纹连接，并加螺母紧固。让所述安装平台2的上表面周边具有向上延伸的槽体8，所述槽体8上设有密封盖11，所述槽体8的外周套设有起固定夹持作用的支撑架12；
如图2所示，所述动态加载装置包括：步进电机9和齿轮10，所述筒体1的下表面设有筒体转轴，所述步进电机9通过齿轮10和所述筒体转轴连接。
进一步地，多个所述通孔2-1均为圆形通孔，通孔2-1的数量根据实验需要选定，可以设置多个，例如5个。每个所述通孔2-1的外周均设有第一环形槽2-2和第二环形槽2-3，第一环形槽2-2和第二环形槽2-3均设置在所述安装平台2的上表面，第二环形槽2-3位于第一环形槽2-2的外周，所述第一环形槽上设有环体3，所述第二环形槽上设有扣件5。
进一步地，所述齿轮10包括大齿轮和小齿轮，所述步进电机9和大齿轮连接，所述大齿轮和小齿轮啮合，其齿数之比为2:1，所述小齿轮和所述筒体转轴连接。
进一步地，所述密封盖11螺纹连接在所述槽体8上。
进一步地，所述筒体1的外表面设有若干个U型槽6，所述安装平台2的外表面设有若干个倒U型槽7。U型槽6和倒U型槽7用于标记安装平台2转过的路程，从而确定曲面轴4是否从通孔2-1中露出。通过计算曲面轴4和通孔2-1的相对位置来设定U型槽6和倒U型槽7的位置，当U型槽6和倒U型槽7正好重合时，曲面轴4刚好从通孔2-1露出。
进一步地，所述U型槽6和倒U型槽7的数量均为一个。
进一步地，所述筒体1、安装平台2、多个曲面轴4、多个扣件5和槽体8的材质均为聚碳酸酯。聚碳酸酯具高强度及弹性系数、高冲击强度、使用温度范围广；强度高、耐疲劳性、尺寸稳定、蠕变也小；绝缘性能优良。
所述曲面轴4的上端为椭圆球形，曲面轴4可以是一端为所需要的曲面形状的任何柱体都可以，用于对样品进行形变。
如图3所示，进一步地，所述支撑架12包括相互固定连接的圆形套环12-1和支撑部12-2，所述圆形套环12-1套设在所述槽体8外，所述圆形套环12-1上设有多个螺纹孔，螺钉穿过所述螺纹孔对槽体8实现紧固。
进一步地，所述圆形套环12-1的外表面设有筋板，起到更好的固定作用。
进一步地，所述齿轮10可以为锥齿轮组，所述步进电机9和控制器连接，所述步进电机9和控制器均与电源连接。
本发明用于植入材料体外降解实验中加载装置静态部分的使用过程：
首先将曲面轴螺纹连接在筒体上，并用螺母加固，然后把安装平台与外部筒体通过螺纹螺接在一起，此时，曲面轴的最高面低于通孔的最高处，即曲面轴位于安装平台的上表面的下方。接着将植入材料覆盖通孔并通过环体将材料压紧在第一环形槽里面，扣件扣合或螺纹连接在第二环形槽内，旋紧扣件，防止后续实验中材料的脱落。空置一个曲面轴不加载样品，然后旋转安装平台，使安装平台带动修复材料下降，而曲面轴的位置相对于安装平台是上升的，直至曲面轴与材料正好接触，此时材料未发生形变。继续旋转至空白轴的曲面全部露出后，停止旋转，此时加载样品的曲面轴移动相同的距离，使材料达到需要的形变量，然后我们将配置好的降解液倒入槽体内，将密封盖旋紧，以防止降解液泄露。最后我们将密封好的装置移入37度恒温箱中，使材料在接近人体温度的条件下，并且具有一定的形变量，进行降解实验，更好的模拟了在人体生物力学环境下材料的降解速率。
降解实验中的平行实验：因为曲面轴是活动可拆卸的，而且其形变的一端是根据材料的面积所确定，因此在平行实验中，根据所选的材料的面积，选择合适的曲面轴，进行实验，其操作步骤同上基本操作方法。
降解实验中的对照实验：因为在实验中样品的数量不确定，或多或少，此时我们设计的可以活动的曲面轴就能显示出优势，如果数量较少，选择需要的曲面轴，在一个装置中就能完成静态降解实验；如果实验样品较多，可以在一个加载装置上采用同一个曲面轴，然后进行对照实验。
特殊的降解模拟实验：因为筒体与安装平台通过螺纹连接，而螺距是可以确定的，因此在某些特殊的降解实验中，可以在旋转安装平台后，使曲面轴保持一定的长度，让材料处于一定静态力下进行降解实验，而相关的力学参数可以根据有限元模拟得出结果。
本发明用于植入材料动态等轴形变降解实验中操作过程：
将静态加载装置和动态加载装置进行组装，同样地，内部的安装平台与外部筒体通过螺纹螺接在一起，曲面轴的最高面低于通孔的最高处，即曲面轴位于安装平台的上表面的下方。将植入材料覆盖通孔并通过环体将材料压紧在第一环形槽里面，旋紧扣件，防止后续实验中材料的脱落。向槽体中加入实验用液体，从而使植入材料在模拟人体生物力学环境的条件下进行降解实验，将密封盖与槽体通过螺纹连接固定，接着将密封好的槽体部分通过螺钉固定在支撑架上，让筒体通过齿轮和步进电机连接，启动电机通过齿轮传动带动筒体做循环往复加载退载运动。
其中，步进电机和控制器连接，由控制器控制电机的启动与关闭、转动圈数和转动方向，使动态试验更加自动化。控制器可选用ARMSTM32F型号的PLC控制器或者AT89C52型号控制器，成本低廉，通用性强。
筒体的螺距为固定值，在齿轮带动筒体循环往复转动时，可以根据实验的需要，来设定电机的循环旋转频率，然后由电机的单次旋转的圈数精确的测算出曲面轴上升的距离。
本发明的有益效果是：
（1）该等轴形变设备为国内首创，且其组成元件简单，易于组装。
（2）该等轴形变设备为多轴设计，一次实验可以进行多个样品处理。
（3）该等轴形变设备的曲面轴可以根据植入材料样品的面积选择，从而选择合适的降解实验方法。一个装置中可以更换不同的曲面轴，进行对比实验，也能在一个装置中采用同一个曲面轴进行平行实验；也可以同时用多个装置进行多样品对照实验。
（4）该等轴形变设备静态装置部分的材料选择新颖，避免常规金属材料在降解过程中受到酶液的腐蚀后释放某些物质对实验结果产生影响。
（5）该等轴形变设备的动态装置部分可以根据实验的需要进行不同频率（如模拟人的呼吸频率18次/min）的循环加载退载实验。
（6）该等轴形变设备的动态装置部分的动力是由步进电机来提供的，便于控制。
（7）该等轴形变设备的动态装置部分可以根据电机的旋转的圈数，来实现对曲面轴的移动距离的精准控制。
（8）该等轴形变设备的动态装置部分也可以模拟静态的长期加载实验，如果对形变要求不高的实验，可以使电机旋转一定圈数给予曲面轴一定的移动距离，关闭电机。
（9）该等轴形变设备的静态装置部分通过齿轮与电机连接后，就能成为动态装置，因此在实验的过程的中可以节约一定量的装置零配件。
（10）该等轴形变设备的密封盖具有密封作用，可以防止外界环境对材料的污染，也能防止降解液泄露。
（11）该等轴形变设备解决了在植入材料体外降解实验过程中无法提供恒定等轴形变的问题，使材料在降解的过程中所受的单一形变或者双向形变转换为等轴形变，更好的拟合了人体内环境对材料的影响，提升了实验的精准度。
（12）此外，该等轴形变设备可以根据需要设计成不同轴数（1-13轴不等），大大提高了实验效率。
本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实施。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备，其特征在于，包括静态加载装置与动态加载装置；
所述静态加载装置包括：上端开口的筒体（1）、安装平台（2）、多个环体（3）和多个曲面轴（4），所述安装平台（2）螺纹连接在所述筒体（1）上，所述安装平台（2）的上表面设有多个通孔（2-1），所述通孔（2-1）内竖直设有所述曲面轴（4），所述曲面轴（4）的底端螺纹连接在所述筒体（1）内的底面上，所述安装平台（2）的上表面周边具有向上延伸的槽体（8），所述槽体（8）上设有密封盖（11），所述槽体（8）的外周套设有起固定夹持作用的支撑架（12）；
所述动态加载装置包括：步进电机（9）和齿轮（10），所述筒体（1）的下表面设有筒体转轴，所述步进电机（9）通过齿轮（10）和所述筒体转轴连接；
所述曲面轴（4）的最高面低于所述通孔（2-1）的最高处，即所述曲面轴（4）位于所述安装平台（2）的上表面的下方；
多个所述通孔（2-1）均为圆形通孔，每个所述通孔（2-1）的外周均设有第一环形槽（2-2）和第二环形槽（2-3），第一环形槽（2-2）和第二环形槽（2-3）均设置在所述安装平台（2）的上表面，第二环形槽（2-3）位于第一环形槽（2-2）的外周，所述第一环形槽（2-2）上设有环体（3），所述第二环形槽（2-3）上设有扣件（5）。
2.如权利要求1所述的用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备，其特征在于，所述齿轮（10）包括大齿轮和小齿轮，所述步进电机（9）和大齿轮连接，所述大齿轮和小齿轮啮合，其齿数之比为2:1，所述小齿轮和所述筒体转轴连接。
3.如权利要求1所述的用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备，其特征在于，所述密封盖（11）螺纹连接在所述槽体（8）上。
4.如权利要求1所述的用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备，其特征在于，所述筒体（1）的外表面设有若干个U型槽（6），所述安装平台（2）的外表面设有若干个倒U型槽（7）。
5.如权利要求4所述的用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备，其特征在于，所述U型槽（6）和倒U型槽（7）的数量均为一个。
6.如权利要求1所述的用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备，其特征在于，所述曲面轴（4）的上端为椭圆球形，所述筒体（1）、安装平台（2）、多个曲面轴（4）、多个扣件（5）、密封盖（11）和槽体（8）的材质均为聚碳酸酯。
7.如权利要求1所述的用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备，其特征在于，所述支撑架（12）包括相互固定连接的圆形套环（12-1）和支撑部（12-2），所述圆形套环（12-1）套设在所述槽体（8）外，所述圆形套环（12-1）上设有多个螺纹孔，螺钉穿过所述螺纹孔对槽体（8）实现紧固。
8.如权利要求7所述的用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备，其特征在于，所述圆形套环（12-1）的外表面设有支撑部（12-2）。
9.如权利要求1所述的用于植入材料体外降解实验的动-静态等轴形变设备，其特征在于，所述齿轮（10）为锥齿轮组，所述步进电机（9）和控制器连接，所述步进电机（9）和控制器均与电源连接。
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